1.2. Основные термодинамические параметры газа.

Свойства любой ТС можно охарактеризовать рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами состояния.

Физические величины, характеризующие состояние РТ, делят на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные физические величины пропорциональны массе рассматриваемого РТ или ТС. Если ТС состоит из нескольких частей, значение экстенсивных физических величин равно сумме значений таких же величин отдельных частей системы и таким образом экстенсивные физические величины обладают свойствами аддитивности. К таким относят объем V, энтропию S, внутреннюю энергию u и энтальпию Н.

Интенсивные физические величины не зависят от массы ТС и поэтому только интенсивные физические величины служат термодинамическими параметрами состояния. К ним, помимо термодинамической температуры Т и давлении р, относят удельные, объемные и молярные величины, полученные из экстенсивных физических величин путем деления их на массу, объем или количество вещества (удельный и молярный объем, удельная и молярная внутренняя энергия, энтропия, энтальпия и т.п.).

К основным параметрам состояния относят: температура – Т; давление – p ; объем – V (удельный объем – v ); энтропия – S (удельная энтропия – s).

Давление (рис. 2) определяется силой G, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к ней. Оно обусловлено взаимодействием молекул поверхностью РТ.

Рис. 2. Иллюстрация понятия давления

В СИ единицей давления является Паскаль (Па) 1 Па = Н/м².

Кроме Паскаля применяются более крупные и мелкие единицы давления. К первым относятся: килопаскаль (кПа), мегапаскаль(МПа), гигапаскаль(ГПа).

кПа =10³ Па; 1 бар=10⁵ Па; МПа = 10⁶ Па; ГПа = 10⁹ Па

Ко вторым: милипаскаль(мПа), микропаскаль(мкПа) и др.

1 мПа = 10^-3 Па; 1 мкПа = 10^-9 Па

В технике находят применение и несистемные единицы: 1физическая атмосфера = 760мм.рт.ст. = 1,01325*10⁵ Па = 101,325кПа; 1 техническая атмосфера = 1 кг/см²=735,6 мм.рт.ст. =0,98*10⁵ Па= 98 кПа; 1 мм.рт.ст. ≈ 133,322 Па.

Различают давления: абсолютное – р, отсчитываемое от нуля (абсолютного вакуума), барометрическое – р_атм (атмосферное) давление, равное давлению атмосферы и избыточное давление, равное разности между абсолютным и барометрическим давлением- р_и

Статическое, избыточное давление измеряют манометрами. Атмосферное давление измеряют барометрами. Давление ниже атмосферного называют - разрежением (вакуумом) – Р_раз и измеряют вакуумметрами.

В технической термодинамике термодинамическим параметром состояния системы является абсолютное давление. Если давление в ТС (сосуде) больше атмосферного, то абсолютное давление будет равно:

Если в ТС, то есть давление ниже атмосферного, то

Термодинамическая температура (Т) есть мера интенсивности теплового движения молекул и характеризует тепловое состояние тела. Температура – функция состояния, определяющая направление самопроизвольного теплообмена. Таким образом, если две или несколько ТС находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут самопроизвольно обмениваться теплотой, до выравнивания температур. Другими словами этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока будет иметься разность температур, причем теплота от ТС большей температурой будет самопроизвольно переходить к телам с меньшей температурой. Поскольку температура является мерой интенсивности теплового движения молекул, то ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергией молекул вещества

₍₁₎

где m-масса молекулы, кг; k=1,380*10^-23Дж/кг, постоянная Больцмана; – средняя квадратичная скорость молекулы.

Термодинамическим параметром является термодинамическая температура в Кельвинах. Кельвин 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Тройная точка воды, равная 273,16 Кельвина соответствует равновесию системы воды в твердой фазе – то есть льда, воды и водяного пара (см. рис. 3). Низшей границей термодинамической температурной шкалы является точка абсолютного нуля (0 К)

Кельвин, как единица температурного интервала, равен 1/273,16 части интервала термодинамической температуры между абсолютным нулем и тройной точкой воды. На практике широко применяется шкала в градусах Цельсия. Соотношение между Кельвином и Цельсием:

Тройная точка воды в Цельсиях составляет 0,01 градус Цельсия.

Рис. 3 Диаграмма, иллюстрирующая понятие тройной точки воды

Состояние равновесного сосуществования трех фаз (твердой, жидкой и газообразной).

Объем V(м³) или удельный объем v=V/m (м³/кг) также является параметром состояния. Величина обратная удельному объему называется плотностью – ρ=1/v(кг/м³). Между v и ρ существует очевидное соотношение v=1/ρ. Значения обоих параметров зависят от температуры и давления. При сравнении параметров систем, работающих в различных условиях, их приводят к нормальным физическим условиям.

р_н =101,325 кПа(760 мм.рт.ст) и Т_н=273,15 К

Данные для v и ρ различных газов справочниках так же приведены для нормальных условий. Для условий, отличающихся от нормальных значений v и ρ, рассчитываются с помощью уравнения Клайперона.

Энтропия является функцией состояния и представляет собой количество теплоты сообщаемое системе при бесконечно малом изменении ее состояния при термодинамической температуре

dS=dQ/T

Изменение энтропии характеризуется только начальным и конечным состоянием системы и, также как внутренняя энергия, не зависит от характера процесса, поэтому величина ds является полным дифференциалом.

Для адиабатной (изолированной) системы, в которой протекают равновесные процессы dQ=TdS=0. Поскольку термодинамическая температура по физическому смыслу не может равняться нулю, то dS=0, a S=const.

Таким образом, энтропия изолированной системы не изменяется, если в ней протекают равновесные процессы.